功率半导体IGBT失效分析与可靠性

功率半导体IGBT失效分析与可靠性摘要：目前，IGBT是绿色经济领域的核心技术之一，应用于航空航天、新能源、轨道交通、工业变频、智能电网等领域。作为自动控制和功率转换的关键核心部件，IGBT是不可或缺的功率核心。利用IGBT进行电能转换，可以提高电能效率和质量，达到30%~40%的节能效果。即使用IGBT技术改造传统设备，平均节电率仍可提高20%。此外，IGBT也是实现能源转换的关键部件，光伏发电、风力发电、太阳能发电等新能源都需要使用IGBT产品向电网输送电能。关键词：主动式PFC升压电路；IGBT；SOA；闩锁效应；ESD；结合大量失效品分析与电路设计分析，对IGBT失效原因及失效机理分析，分析结果表明：经过对IGBT失效分析及IGBT工作电路失效分析及整机相关波形检测、热设计分析、IGBT极限参数检测对比发现IGBT失效由多种原因导致，IGBT在器件选型、器件可靠性、闩锁效应、驱动控制、ESD能力等方面存在不足，逐一分析论证后从IGBT本身及电路设计方面全部提升IGBT工作可靠性。一、分析及生效机理1.失效器件无损检测分析。（1）X-ray透射分析。失效IGBT表面无损伤，万用表测试1、2、3脚互相短路，X光透射内部IGBT芯片金线焊接等无异常，芯片表面有烧毁点，分析内部过电损伤导致失效。（2）开封解析。对主板失效IGBT进行开封解析，内部芯片表面有击穿烧痕迹，IGBT失效均为有源区（activearea）受到高能量损坏，分析主要为过电击穿失效。IGBT等效电路如图1所示。图1IGBT结构描述（3）失效IGBT应用电路。如图2，红框部分为PFC电路整流滤波部分，C401电容具有滤波和抑制EMI作用，PFC主电路部分由PFC电感L3、IGBT及快恢复二极管D901组成。当IGBT闭合时电感L3充能，IGBT断开时电感L3释放电能。IGBT应用电路结构图如图2所示。图2IGBT应用电路二、失效原因及失效机理分析经过对失效IGBT器件ESD能力检测、极限参数测试分析（极限耐压、SOA安全工作区、开关损耗、）、应用环境、驱动电路设计、整机工作波形分析、热设计分析发现其存在众多不足，总结归纳如下。IGBT栅极ESD水平低，经过对IGBT栅极ESD水平测试，STIGBT栅极ESD水平平均在3400V，最低只有2900V，生产过程易出现静电放电损伤IGBT。STIGBT与Renesas、Farichild静电能力测试对比结果如表

1。表1IGBT栅极ESD水平测试（V）2.IGBT超出绝对最大值发生过电压事件（RBSOA安全工作区）、闩锁效应导致IGBT失效问题，经过分析与厂家测试有关，厂家测试标准较为宽松，对于离散在边缘位置的一部分物料没有有效筛选剔除，在过负荷环境，在电源质量差环境易出现IGBT闩锁效应导致失效，厂家在芯片测试环节没有实施芯片闩锁效应测试筛选。3.IGBT应用电路设计存在缺陷，在特殊条件下检测有负压存在，在PFC电路中若IGBT两端存在负压没有二极管续流会损伤IGBT，导致击穿失效。4.IGBT栅极耐压测试发现IGBT及2个厂家驱动芯片存在差异，东芝IGBT栅极极限耐压在25~27V，STIGBT栅极极限耐压在24V，TC4427驱动芯片极限耐压23V，IR4427驱动芯片极限耐压25~27V。TC4427IGBT驱动芯片耐压偏低，低于实际应用24V稳压二极管工作电压，当栅极电压存在突变波动时，过压冲击将TC4427芯片击穿，导致24V稳压二极管实际上没有工作电压。稳压二极管选型不合理，需降低稳压二极管耐压水平。TC4427IGBT驱动芯片极限耐压水平在22V，IGBT驱动电路稳压管选型为24V，在TC4427的引脚Vout上会出现瞬态大电压，在空调机组关闭的瞬间，实际检测IGBT驱动波形发现最大脉冲电压约为24V，比TC4427规格书中的最大值22V高出2V，脉冲电压超过最大值，器件的可靠性或使用寿命可能受影响。模块散热效率差，散热器使用金属拉丝，表面粗糙度大（0.15mm），影响模块散热效率，散热器拉丝工艺，需要降低粗糙度。更改散热器铣削工艺。部分IGBT失效，通过分析为过流烧坏，进一步分析为功率器件散热不良失效，对应IGBT螺钉锁紧无异常。通过对故障件上匹配的散热器粗糙度进行检查，确认部分使用金属拉丝工艺散热器表面粗糙度较差，容易导致IGBT工作过程中局部地区散热效果不佳，温度积聚升高，过热烧毁。三、IGBT工作可靠性提升方案1.提升IGBT栅极ESD水平，由之前3400V提升至8000V。基本杜绝生产过程ESD损伤IGBT导致失效问题。2.实施汽车级PPAT筛选测试标准，增加100%芯片闩锁效应测试，厂家在芯片测试（增加PPAT测试筛选VTH、BVCES、VCESAT参数）环节实施芯片闩锁效应测试筛选。PPAT测试能够消除任何可能离群值或锁存弱点，把离散的有质量可靠性问题物料全部剔除。3.IGBT内部增加5A/600V续流二极管，用于防止IGBT可能出现的负压，解决IGBT反向负压导致IGBT失效问题，提高IGBT在复杂环境工作的可靠性。4.IGBT栅极驱动稳压二极管重新选型，将工作电压由24V改为20V。调整前段稳压二极管稳压值，保证工作冗余量。TC4427芯片极限工作电压大于22V，实际测试平均工作极限耐压值23V，IGBT驱动电路使用稳压二极管为24V，不能有效驱动IGBT保护电路，驱动芯片失效，导致IGBT击穿失效。测试TC4427芯片（IGBT驱动芯片）各个批次的极限工作电压大于22V（符合规格书），普遍小于24V，分析将线路设计中的24V稳压二极管变更成20V后，可以更好保护电路中的驱动芯片和IGBT。5.驱动芯片改为IR4427芯片，该芯片栅极耐压相对较高，TC4427耐压在22~23V，IR4427极限耐压在25~27V。6.提升散热效率，改变散热器加工工艺，由金属拉丝工艺改为铣削工艺，提高散热器装配面的粗糙度，由0.15mm降低0.05mm，IGBT散热效率大幅度提升。IGBT整体温升降低5℃。7.硅胶片尺寸加长，更改硅胶片尺寸，杜绝硅胶片尺寸过小造成的IGBT与散热器接触打火烧毁。比之前加长8mm，能更好包裹住IGBT本体底部及IGBT引脚，防止硅胶片与散热器接触出现漏电，以及电气间隙不足导致的打火异常。8.选取低热阻的硅胶片，提高IGBT散热效率，经过对新物料IGBT温升及散热效率测试，可以降低温升5℃左右。降低IGBT热击穿失效概率，提高IGBT工作可靠性。总之，结合大量失效品分析与电路设计分析，对IGBT失效原因及失效机理分析的结果